太陽模擬器輻照不穩定性測試方法*

/上海市計量測試技術研究院

0 引言

太陽模擬器是利用人工光源在實驗室內模擬實現真實太陽光的光譜分布、輻照度等特性的實驗設備。在光伏領域里，再配以電子負載,數據采集和計算等設備，可以用來在室內測試光伏器件(包括太陽電池片，太陽電池組件等)的性能，如Pmax，Imax，Vmax，Isc，Voc，FF，Eff，Rs，Rsh以 及I-V曲 線等[1]。工業化的太陽模擬器通常分為兩大類：穩態太陽模擬器和瞬態（脈沖）太陽模擬器。根據IEC 60904-9-2007《光伏器件－第9部分太陽模擬器性能要求》的要求[2]，太陽模擬器測試的項目主要有三項，分別是光譜分布匹配、輻照不均勻性和輻照不穩定性。其中光譜分布匹配特性可以通過相對成熟的設備對太陽模擬器進行測試和評級。對于輻照不均勻性，目前也已經形成了比較成熟的測量方法。而對于太陽模擬器輻照不穩定性的測試方法，還有進一步討論的空間。

1 太陽模擬器的結構和原理

常規的太陽模擬器，主要由以下幾個部分組成[3]。

1.1 光學系統

太陽模擬器的光學系統主要由光源、聚光系統、光學積分器、準直系統、太陽光譜輻照度分布匹配濾光片等組成。穩態模擬器通常采用濾光氙燈、雙色濾光鎢燈-ELH燈或改進的汞燈等作為光源，這類模擬器適用于單體電池和小尺寸組件的測試。而瞬態（脈沖）模擬器，由一個或者兩個長弧氙燈組成，這類模擬器在大面積范圍內的輻照均勻度好，適合大尺寸組件的測試。

1.2 電源和控制系統

太陽模擬器對電源，特別是為光源部分供電的電源有著嚴格的要求，只有符合條件的電源，才能夠保證太陽模擬器光源的工作狀態。通常在光室中還會配備封閉傳感器、風扇、探測器等器件用于監控和維持光室的溫度，以保證光源部分正常運轉。通過太陽模擬器內部各種傳感和控制模塊，用來對模擬器的工作狀態進行監控。整個系統通常都可以采用接觸控制、邏輯輸入控制，也可以通過按鈕開關進行直接控制。

穩態太陽模擬器價格比較昂貴，需要消耗較大的功率，并且容易產生熱量造成溫升。對于太陽電池標準測試條件（1 000 W/m2，25 ℃，AM1.5光譜分布）來說，雖然需要增加制冷裝置進行溫控，但其光源更接近于真實太陽，數據可實時采集。瞬態太陽模擬器可以按脈沖數量分為單次脈沖和多次頻閃，也可以按脈沖波形分為衰減式（decaying）和穩定式（plateau）[4]。無論是穩態太陽模擬器還是瞬態太陽模擬器，其不穩定性都是一個非常關鍵的技術指標，因而對該項特性的計量測試手段及其自身的不穩定性驗證具有非常重要的意義。

2 太陽模擬器不穩定性測試方法

輻照穩定度是3A級標準的第三項性能參數指標，它要求模擬器的輸出光束長時間保持穩定的照度以確保太陽能電池效率測定的準確性。IEC 60904-9-2007對于輻照不穩定度，還細分為長期不穩定度（LTI）和短期不穩定度（STI），分別對應整個IV測試過程中輻照度的變化和取點過程中輻照度的變化。

根據太陽光模擬器等級規范：GB/T6495.9-2007、IEC60904-9：2007的標準規定，太陽模擬器按照不穩定性分為三個等級，如表1所示。

表1 太陽光模擬器的不穩定性等級要求

輻照不穩定度的計算

式中：Emax— 為整個測量過程中輻照度的最大值;

Emin— 為整個測量過程中輻照度的最小值。

在太陽模擬器不穩定性測量過程中，通過采樣獲得模擬器在相同條件下的輻照數據變化，代入該公式計算，即得到其不穩定性數據指標。

對于穩態模擬器和瞬態模擬器，在建立測量裝置時也需要考慮兩者的區別。對于瞬態模擬器來說，還要考慮單次和多次閃光瞬態模擬器的不同。如圖1所示，在測試不均勻性和不穩定性時由于長時間受到光源照射，電池片的溫度會升高而導致短路電流的變化，因此需要外接一套冷卻裝置用來控制電池片內的溫度，使其內部溫度恒定在25℃。相反，在測試瞬態太陽模擬器時，需要光觸發器捕捉瞬時光信號，在測試不均勻性時也必須有參考電池片A和標準電池片B兩片同時記錄每一點的電流值，最后以兩個值的商作為最后計算的判定依據。

太陽模擬器的不穩定性測試，其原理是需用標準電池片測試組件在整個I-V曲線形成的時間內光照輻照度的變化。對于穩態模擬器來說，由于光源穩定時間長，不用考慮如何捕捉信號，只需記錄規定時間內每一點輻照值的變化即可。而對于單次和多次閃光的瞬態模擬器來說，前者需要捕捉數十毫秒的光信號并對單次脈沖信號進行分析（圖2）；后者由于是由多次閃光累積形成的I-V測試曲線，每次脈沖的時間甚至低于100 μs以下（圖3）。因此都要求足夠快的采樣頻率才能實現，需要采用快速采集卡采集信號。

圖1 測試方法示意圖

圖2 單次閃光太陽模擬器采樣示意圖

圖3 多次閃光太陽模擬器采樣示意圖

分別對國內外不同生產廠家生產的單次閃光太陽模擬器進行了測試，其中圖4、5、6是對三個不同廠商生產的單次閃光模擬器長期不穩定度（LTI）進行測試的波形，可見不同品牌的太陽模擬器的閃光脈沖波形會有很大的差異。測試中關鍵是要準確捕捉整個波形在起落時間內的變化，然后取出平坦區域，在該區域中再分析光信號的變化。

圖4 太陽模擬器測試曲線（廠商一）

圖7、8是一臺單次閃光模擬器的短期不穩定度（STI）進行測試的波形，兩幅圖所示的波形為多次頻閃式脈沖太陽模擬器產生的。由圖中也可以看出，每個閃光脈沖高低不平，即閃光的輻照度不穩定度較差。與單次閃光模擬器不同，多次閃光模擬器的不穩定性需考慮多個脈沖之間的信號變化。

圖5 太陽模擬器測試曲線（廠商二）

圖6 太陽模擬器測試曲線（廠商三）

圖7 多次頻閃式太陽模擬器測試曲線

圖8 多次頻閃式太陽模擬器的單個脈沖曲線

3 太陽模擬器不穩定性測試裝置的驗證

太陽模擬器不穩定性測試裝置建立后，可以用不同方法對裝置進行驗證。首先，可以通過采用高穩定度標準光源（如溴鎢燈等）對裝置中標準太陽能電池的穩定性進行驗證。在規定的時間內按照設定的時間間隔，對標準太陽能電池輸出光電流經采樣電阻I-V轉換后用數字電壓表進行測量。由不穩定度(%)= (Max-Min)/(Max+Min)×100%，計算得到標準太陽電池的不穩定度[5]。

此外，還可以采用時間和光強已知的脈沖LED光源來進行校準，通過將測試結果與LED已知曲線進行對比，校準該裝置對瞬態（脈沖）太陽模擬器的測試結果。同時，還可以利用穩態太陽模擬器（或者發光強度標準燈）和斬波器來考察儀器的時間分辨力。在光度測量裝置上，采用穩態太陽模擬器（或發光強度標準燈）和斬波器，根據需要調節斬波器的輸出頻率，通過斬波器頻率和測試裝置的測量結果來校準時間分辨力[6]。

4 結語

上述介紹了太陽模擬器不穩定性的測試方法和測試裝置的驗證方法，由于測試結果的優劣不僅取決于模擬器的質量，也與測試的標準器和環境因素有著很大的關系，因此在測試前必須保證光譜儀、標準電池片和電測儀表等設備經過上一級標準檢定或校準，從而保證測量結果的準確性和可溯源性。另一方面，測試現場的室內溫度和環境光也會對數值結果產生一定的影響，因此在實際測試過程中，應盡量使環境溫度維持在25℃并減小模擬器以外其他光源體產生的光線對測試的影響。一般情況下，穩態模擬器的輻照度不穩定性優于瞬態模擬器，長脈沖模擬器的輻照度不穩定性優于多閃或短脈沖類型的模擬器。在實際測試中，可以根據測試的需要以及資金投入，選擇合適類型的太陽模擬器。

[1]羅小平，蔣建輝，劉唐書，等.淺談太陽模擬器選擇的技術要點[J].中小企業管理與科技(上旬刊)，2011（07）：329-330.

[2]International Electrotechnical Commission.IEC 60904-9-2007 Edition 2.0[S].Geneva，2007.

[3]杜景龍.碟式斯特林太陽熱發電系統太陽模擬器的設計與實驗研究[D].北京：中國科學院研究生院，2011.

[4]熊利民.計量在太陽光伏產業上的應用[J].上海計量測試，2010（02）：2-5.

[5]孫皓.太陽電池及相關測試設備的計量方法研究[D].北京：中國計量科學研究院，2010.

[6]全國光學計量技術委員會.JJF 1330-2011[S].北京：中國計量出版社，2010.